Krummlinige Bewegungsführungen und angetriebene Rotationssysteme

Leslie Lui, Maschinenbauingenieurin | Bishop-Wisecarver Corporation

In diesem Whitepaper besprechen wir das Thema führungsradbasierte Ring- und Schienensysteme. Auf dem heutigen Markt sind kompaktere Angebote mit besserer Positionierungsgenauigkeit und anpassbaren Optionen für die Ladungstransportpositionen verfügbar als alternative Fördersysteme für krummlinige Anwendungen.

Im Rahmen des anhaltenden Bestrebens, die Produktionskosten zu senken, besteht ein Trend in Produktionsanlagen darin, Produktionsarbeitsplätze so eng wie möglich zu gruppieren, um Materialbewegungen zu minimieren und wertvolle Stellfläche zu sparen. Dies bedeutet, dass sich Materialien auf immer komplexeren krummlinigen Bahnen bewegen müssen. Die meisten im Handel erhältlichen Führungs- und Aktuatorsysteme sind linear aufgebaut und können nichtlineare Pfade nicht problemlos bewältigen. Für solche Situationen stehen jedoch krummlinige Führungs- und Aktorsysteme zur Verfügung, beispielsweise führungsradbasierte Ring- und Schienensysteme.

Das Herzstück führungsradbasierter Ring- und Schienensysteme sind Führungsräder mit V-Nut-Lager und V-Kantenschlitten. Die Räder und Schlitten verfügen über komplementäre V-Profil-Laufflächen, die dafür sorgen, dass die mit Führungsrädern ausgestatteten Wagen reibungslos entlang der Schlitten laufen und dabei seitlichen oder rotierenden Bewegungen standhalten, selbst unter hohen Belastungen.

Schlitten können durch die Verwendung von geraden und ringförmigen Gleitsegmenten geraden oder kreisförmigen Bahnen folgen oder durch eine Kombination von geraden und ringförmigen Gleitsegmenten komplexen, krummlinigen Bahnen folgen. Bei Drehbewegungsanwendungen ist es möglich, dass die Räder statisch montiert sind und der Ring relativ dazu gedreht wird. Einige krummlinige Führungssysteme können durch Hinzufügen von Komponenten wie Schlittengestängen, Antriebselementen und Motoren auch in ein angetriebenes System umgewandelt werden.

Führungsradringe und gerade Schienen sind in vielen Profilgrößen erhältlich, um Räder unterschiedlicher Größe und Tragfähigkeit aufzunehmen. Auch gerade Schlitten gibt es in verschiedenen Längen und Ringschlitten sind mit unterschiedlichen Krümmungsradien und Winkelspannweiten erhältlich. Einige Ringschlitten sind mit hohlen oder massiven Kernen, auch Ringscheiben genannt, erhältlich. Weitere Schlittenoptionen können unterschiedliche V-Konfigurationen und integrierte Zahnstangen zur Betätigung durch Ritzel umfassen.

Ring- und Schienensystemkonstruktionen auf Führungsradbasis machen sie zu einer der kontaminations- und korrosionsbeständigsten Optionen auf dem Markt. Führungsräder enthalten in der Regel ausreichend Schmiermittel, um die erwartete Lebensdauer zu überstehen, und verfügen über permanente Dichtungen, um Schmiermittelverlust und das Eindringen von Schmutz zu minimieren. Die Systemkomponenten haben einfache Formen, in denen sich kein Schmutz festsetzt, und viele bestehen aus Edelstahl für zusätzliche Korrosionsbeständigkeit.

Zu den traditionellen Methoden zur Anpassung krummliniger Führungs- und Antriebskonstruktionen gehören Fördersysteme und Drehkränze. Ein Bandfördersystem ist der einfachste Förderertyp und besteht typischerweise aus breiten Bändern, die um zylindrische Rollen in einem Rahmen gewickelt sind. Motoren drehen die Rollen, wodurch die Bänder die darauf liegende Nutzlast transportieren. Während einfachere Bandfördersysteme Nutzlasten nur in geraden Linien bewegen können, können krummlinige Bahnen erstellt werden, indem mehrere gerade Förderbänder in Reihe in versetzten Winkeln entlang der gewünschten Bahn montiert werden oder indem Bänder mit miteinander verbundenen Schwenksegmenten verwendet werden, wie beispielsweise Gepäckförderbänder auf Flughäfen.

Ein Rollenfördersystem ähnelt einer Bandversion, außer dass das breite Band durch eine Reihe eng beieinander liegender Rollen ersetzt wird, die in einem Rahmensystem montiert sind, das so konfiguriert ist, dass es einem bestimmten krummlinigen Pfad folgt. Rollenfördersysteme können mit Motoren angetrieben werden, die direkt oder über Zwischenantriebsriemen an die Rollen gekoppelt sind, oder ohne Antrieb, wobei die Nutzlast durch Schwerkraft oder von Hand bewegt wird.

Hängebahnsysteme bestehen aus krummlinigen Schienensystemen, die hoch über dem Boden montiert sind, mit Rollwagen, an denen die Nutzlast darunter hängt. Hängebahnwagen können von Hand bewegt oder durch motorbetriebene Ketten entlang der Schiene gezogen werden. Drehkränze (auch Drehkranzlager genannt) sind im Wesentlichen große Maschinenlager, die große Mengen kleiner Wälzkörper verwenden. Dies ermöglicht es ihnen, hohe Belastbarkeiten beizubehalten und gleichzeitig große Innendurchmesser und Laufringe mit dünnem Profil bereitzustellen. Für den Direktantrieb können in die Laufbahnen von Drehkränzen Zahnstangen eingearbeitet sein.

Auf Führungsrädern basierende Ring- und Schienensysteme können eine bessere Positioniergenauigkeit und Präzision bieten als Fördersysteme. Dieser Unterschied kann bei Anwendungen wichtig sein, bei denen die Nutzlast zerbrechlich ist oder für die Verarbeitung starr und genau positioniert gehalten werden muss, während sie durch das System bewegt wird. Die Räder in führungsradbasierten Ring- und Schienensystemen sind so konstruiert, dass sie fest gegen den Schlitten vorgespannt sind und verhindern, dass sich der Schlitten in eine andere Richtung als entlang des vorgesehenen Verfahrweges verschiebt. Dieses Maß an Positionierungsgenauigkeit ist in Fördersystemen, bei denen die Nutzlast hauptsächlich durch die Schwerkraft auf die beweglichen Elemente beschränkt ist, im Allgemeinen nicht möglich.

Band- und Rollenfördersysteme stellen keine horizontale Einschränkung dar und können seitliche Führungsschienen erfordern, um zu verhindern, dass die Nutzlast von den Seiten der beweglichen Elemente fällt. Die Nutzlast kann ständigen Vibrationen ausgesetzt sein, da sie ständig von einer Rolle oder Bandschleife auf eine andere übertragen wird, und kann sich mit Komponenten des Fördersystems verfangen, wenn diese inkompatible Formen haben, was zu unregelmäßigen Durchflussraten, Kollisionen und Staus führen kann. Laufkatzensysteme verfügen nur über eine ausreichende horizontale Begrenzung, um ein Herunterfallen von der Schiene zu verhindern, und verwenden im Allgemeinen nicht starre Verbindungen wie Ketten oder Haken zum Tragen der Nutzlast, sodass sie frei schwingen und möglicherweise andere Gegenstände treffen können.

Die Abhängigkeit von Fördersystemen von der Schwerkraft zur Begrenzung der Nutzlast begrenzt auch die möglichen Positionen, an denen die Nutzlast transportiert werden kann, sowie die Fähigkeit, die Nutzlast vertikal zu bewegen. Band- und Rollenfördersysteme müssen ihre Nutzlast direkt über ihre beweglichen Elemente transportieren und können sie nicht steil bergauf oder bergab befördern. Bei Hängelaufkatzensystemen muss die Nutzlast aus Stabilitätsgründen direkt unter ihnen hängen und darf sich nicht an steilen Abschnitten hinauf- oder hinunterbewegen, da die hängende Nutzlast die Schiene oder die Nutzlast benachbarter Wagen berühren kann. Bei einem auf Führungsrädern basierenden Ring- und Schienensystem kann die Nutzlast jedoch in jeder Position relativ zum Wagen sicher montiert werden. Außerdem kann die Nutzlast unabhängig von der Schwerkraft in jede Richtung transportiert werden, da die Laufräder des Wagens fest mit den Schlitten verbunden sind und nur eine Bewegung entlang der vorgesehenen Bahn zulassen.

Ring- und Schienensysteme auf Führungsradbasis können weniger Platz, Stützstruktur und Wartung erfordern als andere Fördersysteme. Mit geeigneten Montagevorrichtungen können die Wagen Nutzlasten transportieren, die viel breiter sind als sie selbst. Dadurch können diese Systeme und ihre Tragstruktur kompakter sein als Band- und Rollenfördersysteme, deren Rollelemente breiter sein müssen als ihre vorgesehene Nutzlast. Hängewagen können relativ große Nutzlasten transportieren, erfordern jedoch große, stabile Stützkonstruktionen, da ihre Schienensysteme hoch genug angehoben werden müssen, damit die darunter hängende Nutzlast zugänglich und frei von Hindernissen auf Bodenhöhe ist. Die relativ großen Tragstrukturen für Fördersysteme machen ihre Montage und Neukonfiguration auch am schwierigsten und teuersten. Fördersysteme sind auch schwieriger sauber zu halten als führungsradbasierte Ring- und Schienensysteme, da ihre Komponenten größer und zahlreicher sind und komplexe Formen haben, in denen Schmutz leichter aufgefangen wird. Drehkränze eignen sich besser als Fördersysteme für Anwendungen, die nur Kreisbewegungen erfordern, da sie kompakter und leichter sein können und in vollständig montierten Einzeleinheiten erhältlich sind, die schneller in eine Anwendung integriert werden können. Sie bieten auch eine bessere Genauigkeit und Laufruhe und können wie Systeme auf Führungsradbasis mit Nutzlast ausgestattet werden, weisen jedoch im Vergleich zu letzteren immer noch einige Nachteile auf.

Während Schienendrehsysteme und Drehkränze auf Führungsradbasis ähnlich einfach zu montieren sind, kann ersteres aufgrund der Austauschbarkeit der Komponenten einfacher zu warten sein. Aufgrund der präzisen Montage und Bearbeitung, die für eine reibungslose und genaue Leistung erforderlich sind, werden Drehkränze in der Regel im Werk vollständig montiert. Wenn auch nur eine Komponente ausfällt, muss in der Regel der gesamte Ring ausgetauscht werden, was die Wartung vor Ort erschwert. Da Drehkränze manchmal die primäre Befestigungsstruktur für Anwendungskomponenten sind, kann der Austausch eines Drehkränzes auch den erneuten Zusammenbau aller daran montierten Teile erfordern.

Bei rotierenden Systemen auf Führungsradbasis müssen nur die beschädigten Komponenten ausgetauscht werden, da ihre gemeinsame Passungskonstruktion den Zusammenbau und die Verwendung einzelner Komponenten in jedem kompatiblen System ermöglicht, und nicht nur in einer bestimmten Einheit geeigneter, passender Passung wie Drehkränze. In einigen Anwendungen ist es auch möglich, beschädigte Komponenten in Führungsrad-basierten Schienensystemen auszutauschen, ohne andere Komponenten zu demontieren.

Drehkränze können eine bessere Steifigkeit und Laufruhe bieten als Fördersysteme, sind jedoch im Allgemeinen nicht vorgespannt. Das Vorspannen der Wälzkörper für eine bessere Steifigkeit und Laufruhe ist bei kleineren Maschinenlagern üblich, bei Drehkränzen jedoch selten, da große Komponenten schwieriger präzise zu bearbeiten sind und ihre Form und Passform stärker von externen Faktoren beeinflusst werden. Kleine Herstellungsfehler, Bauteilverformungen aufgrund äußerer Belastungen oder unebener Montageflächen oder ungleichmäßige Wärmeausdehnung aufgrund großer Temperaturschwankungen zwischen Bauteilen wirken sich eher auf die Vorspannung in größeren Lagern wie Drehkränzen aus.

Änderungen der Vorspannung können zu einem internen Komponentenspiel führen, das die Systemsteifigkeit verringert, oder zu einer hohen Interferenz, die die Drehung erschwert und Komponenten beschädigt. Die Vorspannung eines Drehkranzes hängt von den Innenabmessungen der Komponenten ab und kann nach der Montage nicht mehr angepasst werden. Auch äußere Faktoren wie unebene Montageflächen und Wärmeausdehnung können die Vorspannung in führungsradbasierten Rotationssystemen verändern. Sie stellen jedoch weniger ein Problem dar, da die Vorspannung während der Montage in einer Anwendung eingestellt wird und anschließend einfach angepasst werden kann.

Ringschlitten auf Führungsradbasis können bei Anwendungen, die einen Verfahrweg von weniger als 360° erfordern, einen erheblichen Größenvorteil gegenüber Drehkränzen bieten. Drehkränze müssen vollständig kreisförmig sein, um vollständige Bewegungskreise für ihre Wälzkörper zu ermöglichen, auch wenn die Anwendung weit weniger als 360° Bewegungsweg erfordert. Bei rotierenden Systemen auf Führungsradbasis muss die Bogenlänge des Ringschlittensegments nur lang genug sein, um alle Führungsräder (es können nur drei sein) über den gesamten Bewegungsbogen zu tragen.

Der Entwurf krummliniger Führungs- oder Aktuatorsysteme kann schwieriger sein als der Entwurf linearer Systeme. Die Installation solcher Systeme kann jedoch den Nutzlasttransport sowie die Einfachheit und Effizienz der Handhabung verbessern. Ring- und Schienensysteme auf Führungsradbasis können den Konstruktionsprozess vereinfachen und andere Arten nichtlinearer Führungs- und Aktorsysteme übertreffen.

Über Bishop-Wisecarver

Bishop-Wisecarver Corporation, ein Unternehmen der Bishop-Wisecarver-Gruppe, unterstützt Hersteller und Anbieter von Automatisierungslösungen bei der Entwicklung von Linear- und Drehbewegungsprodukten. Mit mehr als 60 Jahren technischer Expertise und bewährten Herstellungspraktiken in der Zusammenarbeit mit über 20.000 Kunden verstehen wir die Design- und Anwendungsanforderungen unserer Kunden und können so einzigartige Lösungen entwickeln, die innerhalb von 2 bis 3 Wochen ausgeliefert werden. Kunden erreichen eine um 50 % schnellere Markteinführung, bis zu 50–75 % geringere Wartungs- und Installationskosten, Produktdifferenzierung und eine längere Produktlebensdauer.

Unsere Produktpalette umfasst hochwertige Komponenten und Zubehör, manuelle Linearführungssysteme, betätigte Linearführungssysteme sowie Drehführungen und -systeme. Zu den neueren Produkteinführungen von Bishop-Wisecarver gehören Edelstahl-, Hochtemperatur-, abwaschbare und reinraumtaugliche Produkte. Zu unseren beliebteren Angeboten gehören die folgenden Handelsnamen: DualVee, LoPro, UtiliTrak, MadeWell und GV3.

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